Harvardzkie organoidy mózgu rozwijały się przez pięć lat zgodnie z ludzkim zegarem biologicznym

Organoidy przechodziły kolejne etapy rozwoju

Komórki nie zatrzymały się w niedojrzałym, przypominającym wczesny okres płodowy stanie. Z czasem ich programy ekspresji genów przesuwały się od sygnatur rozwoju płodowego w kierunku późniejszych, w tym przypominających okres pourodzeniowy, stanów kory mózgowej. Skład typów komórek oraz moduły genów związanych z dojrzewaniem odpowiadały harmonogramom znanym z ludzkiej tkanki mózgowej.

Nie oznacza to, że organoidy odtworzyły każdy etap rozwoju prawidłowego ludzkiego mózgu. Wyniki wskazują raczej, że przynajmniej część komórek nerwowych może kontynuować program rozwojowy poza zarodkiem i bez ogólnoustrojowych sygnałów, doświadczeń sensorycznych oraz uporządkowanej anatomii żywego człowieka.

Wcześniejsze badania długotrwałych hodowli wykazały już, że organoidy liczące około 250–300 dni mogą mieć cechy molekularne przypominające pourodzeniowy rozwój ludzkiego mózgu. Nowsze badanie rozszerzyło tę obserwację o kolejne lata i dodało dowody z zakresu starzenia epigenomowego oraz dojrzewania poszczególnych typów komórek.

Połączenia nerwowe i aktywność elektryczna utrzymywały się

W długo żyjących organoidach znajdowały się neurony pobudzające i komórki glejowe, a także neuryty oraz struktury synaptyczne. Organoidy wykazywały spontaniczną aktywność elektryczną i reagowały na stymulację. Wspiera to tezę, że powstawały w nich działające sieci nerwowe, a nie tylko skupiska komórek, które zdołały przetrwać.

To ważne dla modelowania rozwoju, ponieważ choroby układu nerwowego mogą wynikać z interakcji między różnymi typami komórek i zmian zachodzących przez długi czas. Hodowla, którą można obserwować i mierzyć przez lata, daje badaczom większą szansę ustalenia, kiedy pojawiają się określone zaburzenia oraz jak różnią się one między podłożami genetycznymi i warunkami eksperymentalnymi.

Dowody te należy jednak interpretować ostrożnie. Aktywność nerwowa nie jest tym samym co prawidłowe funkcjonowanie mózgu, poznanie, uczenie się czy zachowanie. Organoidy nie mają pełnej architektury ani środowiska fizjologicznego niezbędnego do takich funkcji.

Eksperyment „z przesunięciem w czasie” sprawdził, czy komórki pamiętają rozwój

Naukowcy stworzyli także hodowle chimeryczne, łącząc komórki pochodzące ze starszych organoidów ze znacznie młodszymi komórkami. Starsze komórki nie przestawiły się po prostu na harmonogram rozwoju młodszych. Zamiast tego szybko wytwarzały typy neuronów kojarzone z późniejszymi etapami rozwoju.

Wynik sugeruje, że rytm rozwoju jest przynajmniej częściowo zachowany wewnątrz samych komórek. Trwałe stany transkrypcyjne i epigenetyczne mogą działać jak komórkowy zapis wcześniejszej historii rozwoju. Kiedy komórki trafiały do nowego środowiska, ta historia nadal wpływała na to, jakie tożsamości neuronalne przyjmowały.

Eksperyment nie pokazuje, że komórki mają świadome poczucie upływu czasu. „Zapisywanie upływu czasu” to użyteczny opis stanu biologicznego: regulacja genów i wzorce epigenetyczne zmieniały się w związku z wiekiem hodowli. Nie należy mylić tego ze świadomością ani subiektywnym doświadczeniem.

Dlaczego może to pomóc w badaniach autyzmu i schizofrenii

Długowieczne organoidy kory mózgowej mogą ułatwić badanie zaburzeń rozwojowych, których biologia ujawnia się stopniowo. Z komórek pochodzących od pacjentów można potencjalnie porównywać dojrzewanie, decyzje dotyczące losu neuronów, tworzenie obwodów oraz interakcje między neuronami i komórkami glejowymi w dłuższym przedziale czasu. Możliwe byłoby także testowanie interwencji na etapach istotnych z punktu widzenia rozwoju, zamiast analizowania wyłącznie wczesnego obrazu.

Modele te mogą również pomóc w uzyskiwaniu i badaniu bardziej dojrzałych, precyzyjnie zdefiniowanych typów komórek nerwowych na potrzeby modelowania chorób i badań nad przeszczepami. Są to potencjalne zastosowania badawcze, a nie sprawdzone terapie. Wyniki uzyskane w organoidach wymagają potwierdzenia w innych systemach eksperymentalnych i same w sobie nie wyjaśniają, jak dane zaburzenie rozwija się u człowieka.

Czego organoidy nie mogą nam powiedzieć

Organoid kory mózgowej nie jest miniaturowym ludzkim mózgiem. To uproszczony trójwymiarowy model wybranych aspektów rozwoju kory. Nie ma pełnego ukrwienia mózgu, układu odpornościowego i hormonalnego organizmu, bodźców zmysłowych, połączeń z ciałem, organizacji dalekiego zasięgu ani kontekstu zachowania.

Ograniczenia te wpływają na zakres wniosków, jakie mogą wyciągać naukowcy. Organoid może odtwarzać konkretne wydarzenia molekularne lub właściwości sieci, jednocześnie pomijając procesy kluczowe dla żywego mózgu. Nie może więc samodzielnie odtworzyć prawidłowego poznania ani pełnej biologii autyzmu, schizofrenii czy innych zaburzeń psychicznych.

Aktywność elektryczna nie jest też dowodem świadomości. Opisane pomiary nie dostarczają podstaw, by twierdzić, że organoidy były świadome, odczuwały ból lub miały jakiekolwiek doświadczenia. Pytania o świadomość wymagają dowodów wykraczających poza cechy komórkowe i sieciowe zmierzone w tym badaniu.

Dlaczego hodowle ostatecznie zniszczono

Długo żyjące organoidy ostatecznie zebrano do analizy końcowej. Zakończenie hodowli pozwoliło szczegółowo zbadać ich komórki, aktywność genów, stan epigenetyczny, strukturę i połączenia.

To właśnie ta szczegółowość stanowi część wartości eksperymentu: nie da się nieustannie wykonywać wszystkich pomiarów molekularnych na tych samych żywych komórkach bez zmieniania lub niszczenia próbki. Badanie udokumentowało zatem wieloletnią trajektorię biologiczną, a analizy końcowe pozwoliły ustalić, czym organoidy ostatecznie się stały.

Szerszy wniosek jest ostrożny, ale ważny: ludzkie komórki nerwowe mogą przez lata zachowywać i realizować elementy rozwojowego harmonogramu w naczyniu laboratoryjnym. To czyni długoterminowe organoidy obiecującym narzędziem do badania rozwoju ludzkiego mózgu i chorób, a zarazem przypomina, że użyteczny model tkanki nerwowej nie jest kompletnym, świadomym mózgiem.